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螺紋緊固件的安裝控制原理
- 分類:通用類
- 發(fā)布時間:2022-03-21 11:04:14
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螺紋緊固件的安裝控制原理
作者 WASI緊固件
影響扭-拉關系的因素
螺紋緊固件在擰緊過程中,其扭矩-夾緊力的轉化率主要受預緊力、緊固扭矩、摩擦系數(shù)以及轉角的影響。
影響扭矩-夾緊力關系的主要因素有扭矩、夾緊力、摩擦系數(shù)以及轉角等方面。
預緊力(Ff)
在連接中,受到工作載荷之前,為了增強連接的可靠性和緊密性,以防止受到載荷后連接件間出現(xiàn)縫隙或者相對滑移而預先加的力,其單位牛(N);螺栓預緊力則是指在擰螺栓過程中擰緊力矩作用下的螺栓與被聯(lián)接件之間產(chǎn)生的沿螺栓軸心線方向的預緊力。其預緊力的大小受螺栓的擰緊力矩、螺栓與螺母之間的摩擦力、螺母與被聯(lián)接件之間摩擦力的影響等。
緊固扭矩 (Tf)
緊固扭矩是指為達到初始預緊力,擰緊螺栓或螺母所需要的力矩,單位為N.m。
扭矩系數(shù)K則反映了扭矩與初始預緊力的關系,不僅取決于摩擦面的摩擦系數(shù),還取決于螺紋連接副的幾何狀況。
d—螺紋公稱直徑 Dw—計算摩擦扭矩的支撐面等效直徑
d2—螺紋中徑 μw—支撐面摩擦系數(shù)
P—螺距 μs—螺紋結合面面摩擦系數(shù)
α’—螺紋牙側角 螺紋牙側角:螺紋一側與螺紋橫截面的夾角
預緊力、緊固扭矩和扭矩系數(shù)的關系可以表示為:Tf=K*Ff*d
摩擦系數(shù)(μ)
在螺紋緊固件連接副中摩擦系數(shù)是指發(fā)生在螺栓頭部支撐面、螺紋結合面等所消耗的扭矩系數(shù);
轉角(A)
基于一定的扭矩作用下,使螺栓再產(chǎn)生一定的軸向伸長量或連接件被壓縮而需要轉過的螺紋角度。
螺紋緊固件的安裝控制方法
工作性能優(yōu)良的鎖緊螺母,對螺栓公差應具備良好的適應性。
扭矩控制法
扭矩法是利用扭矩值和預緊力的線性關系進行控制的方法。扭矩法的目標值是一個確定好的緊固扭矩,即為下圖中的TfA。當達到這一設定的控制扭矩時,則立即停止擰緊的控制方法。下圖反映了緊固扭矩與預緊力的關系,可見下圖。
扭矩法主要用在彈性區(qū)。由下方軸力-應變曲線圖可以看出,在彈性區(qū),緊固軸力與應變呈線性關系,而在塑性區(qū)因預緊力離散度大的特點,緊固軸力與應變呈曲線特征。扭矩法的主要特點是利用二者的線性關系對緊固扭矩進行控制,故其主要用在彈性區(qū)。
扭矩法優(yōu)缺點
優(yōu)點
◆ 只對緊固力矩Tf做控制,操作簡便,易于用扭矩傳感器或高精度扭矩扳手來檢查擰緊質(zhì)量。
缺點
◆ 所獲得的預緊力不精確,即使對相同的產(chǎn)品施加相同的擰緊力矩,其預緊力的偏差也可能高達±25%,主要是由于緊固扭矩約有90%左右被螺紋和支撐面的摩擦所消耗,初始預緊力的離散度則隨著擰緊時摩擦損耗等因素的控制程度而發(fā)生變化,因而離散度較大。
◆ 因為在彈性區(qū)使用,該方法不能充分利用材料的潛力。
扭矩-轉角控制法
轉角法是將螺栓與螺母的相對回轉角度作為指標進行初始預緊力的控制方法,可在彈性區(qū)和塑性區(qū)使用。轉角法的目標值是一個規(guī)定的緊固轉角。一般情況下,此方法是先施加一個不大的扭矩后再用轉角法控制。精度可控制在±15%。
θf—Ff曲線斜率急劇變化時,隨著轉角的設定誤差,預緊力的離散度變大。在被連接件和螺栓的剛性較高的場合,對彈性區(qū)的緊固不利;對塑性區(qū)的緊固,初始預緊力的離散主要取決于緊固時螺栓的屈服點,轉角誤差對其影響不大,故具有可最大限度地利用螺栓強度的優(yōu)點(可獲得較高的預緊力)。但由于螺栓的螺紋部分及桿部發(fā)生塑性變形,對螺栓塑性差的及螺栓反復使用的場合應考慮其適用性。對預緊力過大,會使被連接件受損的情況,則必須對螺栓的屈服點及抗拉強度的上限值進行規(guī)定。緊固轉角與預緊力的關系如下圖:
扭矩-轉角控制法的優(yōu)缺點
優(yōu)點:可最大限度地利用螺栓強度的優(yōu)點,獲得較高的預緊力。
缺點:控制系統(tǒng)較復雜,要測量扭矩和轉角兩個參數(shù)。
扭矩斜率法(屈服點控制法)
扭矩斜率法是以θf—Ff曲線(圖4)中的扭矩斜率(dTf/d θ f)值的變化作為指標進行初始預緊力的控制方法。精度可控制在±8%。該方法一般在初始預緊力離散小且可最大限度的利用螺栓強度的情況下使用。由于該方法對初始預緊力的控制與塑性區(qū)的轉角法相同,所以,需要對螺栓的屈服點進行嚴格控制。
扭矩率控制法原理
是當螺栓變形處于彈性變形階段時,其扭矩率基本保持不變,當螺栓發(fā)生塑性變形后,其扭矩率明顯下降,當扭矩率下降到一定程度(螺栓屈服)時,停止擰緊。緊固轉角相對應的預緊力及緊固扭矩如下圖:
扭矩斜率法的優(yōu)缺點
優(yōu)點:擰緊精度非常高,預緊力誤差可以控制在±8%以內(nèi);但其精度主要取決于螺栓本身的屈服強度。
缺點:擰緊過程需要對扭矩和轉角曲線的斜率進行動態(tài)的、連續(xù)的計算和判斷,控制系統(tǒng)的實時性、運算速度等都有較高的要求。
對于預緊力的測算
為計算連接副中螺栓的預緊力,目前也有直接對螺栓預緊力進行測量的設備。在測試系統(tǒng)中,螺栓預緊力可以采用超聲波直接實時測量。其主要利用超聲波橫波、縱波聲時與溫度和螺栓軸力變形的關系曲線,實時測算出螺栓裝配緊固軸力、預緊力等。該設備適用于對預緊力測量精度較高的場合。對于一般工況現(xiàn)場,也可以使用本文介紹的三種安裝控制方法。
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